CN110444313A - 一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池，其基本结构包括：纯β放射源、碳化硅PN结器件和电池外壳。利用微波等离子体化学气相沉积技术和离子注入技术制备碳化硅PN结结构，采用半导体微加工工艺和电子束蒸发镀膜技术生成欧姆接触电极，再将纯β放射源耦合加载到碳化硅PN结器件表面构成一种将纯β放射源的衰变能转化为电能的装置。本发明提供的技术方案简单，有利于实现具有能量转化效率高、输出性能稳定、工作时间长、抗辐照性能强的薄膜型β辐射伏特效应核电池，这种类型的核电池具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及利用半导体器件将放射性核素的衰变能转化为电能的装置，属于核能利用技术领域。
背景技术
近年来，微机电系统中微机电设备得到了快速的发展，但是微机电系统的进一步发展却受到了缺乏微型电源的限制。微机电系统对微型电源的要求一般包括：可微型化、可集成化、工作时间长、环境适应性强等。传统的微型电池主要包括微型燃料电池、微型化学电池、微型太阳能电池、微型内燃机等。研究表明：和传统的微型电池相比，β辐射伏特效应核电池具有质量轻、可微型化、可集成化、使用寿命长、能量密度高、输出性能稳定、维护服务频率低以及它不需要外界太阳光等特点。因此，β辐射伏特效应核电池得到了研究者的重视并逐渐成为微型电源的研究热点。β辐射伏特效应核电池中，β粒子与半导体材料相互作用的过程中会产生大量的电子-空穴对。半导体器件耗尽层内的辐生电子-空穴对在其内建电场的作用下会被全部扫出该区域，耗尽层区域之外的辐生电子-空穴对只有扩散到耗尽层内才能被其内建电场分离后再被分别收集。因此，半导体PN结内部的耗尽层区域和距离耗尽层边缘一个少子扩散长度的区域统称为半导体PN结器件内部有效的能量吸收区。
通常，实际生产中半导体PN结器件的耗尽层宽度只有几个微米。但是，常见的β放射源在器件中的电离作用范围从几个微米到几个厘米不等。类比太阳能电池的工作原理和结构设计原则，基于半导体PN结器件的β辐射伏特效应核电池中吸收放射源辐射能的方式主要有两种：一是利用半导体PN结器件的无场强区作为有效的辐射能吸收区，辐生电子-空穴对在器件表面附近的电场区被分离。这种吸收辐射能的方式主要用于放射源释放的载能粒子在换能器件中的作用范围远远大于其内部的耗尽层宽度。由于β放射源在器件中的能量沉积率随着载能β粒子入射深度的增加而近指数减小，也就是说，β放射源在器件中的主要能量沉积区靠近换能器件的表面。同时，在相同载流子浓度的条件下，电子的扩散长度、迁移率等特性远远优于空穴。因此，β辐射伏特效应核电池中通常将P型低掺杂区作为发射层及无场强区有效的辐射能吸收区，这种设计方案有助于提高换能器件中无场强区的电荷收集效率，提高放射源辐射能的能量利用率。一般地，这种器件制作工艺难度小，无场强的扩散区几近完美，但是它不利于提高少数载流子的扩散长度，电荷收集效率低；二是利用半导体PN结器件的耗尽层区作为有效的辐射能吸收区，再利用该区域的内建电场分离辐生电子-空穴对。这种辐射能的吸收方式主要用于放射源释放的载能粒子在换能器件中的作用范围小于或等于其内部的耗尽层宽度。由于半导体换能器件的内建电场对辐生电子-空穴对的分离能力很强，这大大提高了电荷收集效率、放射源衰变能的利用率及核电池的能量转化效率。一般地，这种器件制作工艺难度较小，它主要适用于衰变能较小的β放射源对应的薄膜型核电池。近年来，碳化硅材料因具有禁带宽度大、热稳定性强、热导率高、载流子饱和速率大、抗辐照性能优越等特性而成为β辐射伏特效应核电池的主要换能材料。研究表明：基于碳化硅的PN结型β辐射伏特效应核电池因具有能量密度大、能量转化效率高、抗辐照性能强等特点而成为微机电系统理想的微型电源。这种类型的核电池具有重要的应用价值。
发明内容
本发明提供了一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池，其工作原理是将β放射源释放的载能粒子在半导体器件中的作用范围与其内部的耗尽层区相匹配，利用半导体PN结器件的内建电场分离辐生电子-空穴对后再分别收集，最后将β放射源的衰变能转化为电能。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：利用成熟的加工工艺将纯β放射源和碳化硅PN结器件加工集成为一种将放射源的衰变能转化为电能的装置，其基本结构包括：纯β放射源、碳化硅PN结器件和电池外壳(见附图1和附图说明)。
所述纯β放射源(1)为薄片状圆柱形固态放射源，选为氚源(Ti3TX)和镍-63源(63Ni)。进一步地，氚源(Ti3TX)的厚度不大于2μm且优选于2μm，镍-63源(63Ni)的厚度不大于3μm且优选于3μm。进一步地，将纯β放射源(1)耦合加载在碳化硅PN结器件的上表面。
所述碳化硅PN结器件为圆柱形，半径大于纯β放射源(1)的半径。进一步地，其内部依次层叠设置为正面环形欧姆接触电极层(2)、二氧化硅钝化层(3)、P型低掺杂碳化硅层(4)、N型高掺杂碳化硅层(5)、单晶碳化硅衬底层(6)和背欧姆接触电极层(7)。
所述碳化硅PN结器件中正面环形欧姆接触电极层(2)为Ti/Ni/Au复合金属层，厚度小于50nm且优选于30nm。其中，Au金属层蒸镀在二氧化硅钝化层(3)上表面，然后再在Au金属层上依次蒸镀Ni金属层和Ti金属层构成Ti/Ni/Au复合金属层。
所述碳化硅PN结器件中二氧化硅钝化层(3)的厚度小于10nm且优选于2nm。
所述氚源(Ti3TX)对应的核电池中碳化硅PN结器件的PN结单元厚度在1.1～2.5μm。其中，P型低掺杂碳化硅层(4)的掺杂原子浓度NA在5×1014/cm3～2.5×1015/cm3且厚度在0.9～2.5μm，N型高掺杂碳化硅层(5)的掺杂原子浓度ND在6.2×1015/cm3～1×1018/cm3且厚度不大于0.37μm。进一步地，碳化硅PN结单元的厚度优选于1.1μm，P型低掺杂碳化硅层(4)的掺杂原子浓度NA＝2.5×1015/cm3且厚度在1.06～1.1μm，N型高掺杂碳化硅层(5)的掺杂原子浓度ND在3.2×1016/cm3～1×1018/cm3且厚度不大于0.08μm。
所述镍-63源(63Ni)对应的核电池中碳化硅PN结器件的PN结单元厚度在8～23μm。其中，P型低掺杂碳化硅层(4)的掺杂原子浓度NA在5.5×1012/cm3～5.2×1013/cm3且厚度在5.7～23μm，N型高掺杂碳化硅层(5)的掺杂原子浓度ND在8×1013/cm3～1×1018/cm3且厚度不大于3.7μm。进一步地，碳化硅PN结单元的厚度优选于8μm，P型低掺杂碳化硅层(4)的掺杂原子浓度NA＝4.7×1013/cm3且厚度在7.3～8μm，N型高掺杂碳化硅层(5)的掺杂原子浓度ND在5×1014/cm3～1×1018/cm3且厚度不大于0.7μm。
所述碳化硅PN结器件中单晶碳化硅衬底层(6)为2～4英寸抛光单晶碳化硅圆片，其厚度小于200μm。
所述碳化硅PN结器件中背欧姆接触电极层(7)为圆柱形场板结构的Ti/Ni/Au复合金属层，其厚度小于50nm且优选于30nm。其中，Au金属层蒸镀在单晶碳化硅衬底层(6)的下表面，然后再在Au金属层上依次蒸镀Ni金属层和Ti金属层构成Ti/Ni/Au复合金属层。进一步地，在正面环形欧姆接触电极层(2)和背欧姆接触电极层(7)上设置第一引线和第二引线。更进一步地，将整个装置进行退火后封装得到碳化硅PN结器件。
所述核电池外壳(8)及其可拆卸部分(9)是由密度小的高分子聚乙烯塑料构成，其厚度大于25μm。
综上所述，结合β放射源的自吸收效应、载能β粒子在材料表面的反散射过程、β放射源在换能器件中的电离作用范围、碳化硅PN结器件的耗尽层宽度设计、制备技术及辐射防护等规律，本发明提供了一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池的技术方案。
附图说明
图1是所述一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池的轴剖面示意图。图中标记：(1)为纯β放射源，(2)为正面环形欧姆接触电极层，(3)为二氧化硅钝化层，(4)为P型低掺杂碳化硅层，(5)为N型高掺杂碳化硅层，(6)为单晶碳化硅衬底层，(7)为背欧姆接触电极层，(8)为核电池外壳，(9)为核电池外壳可拆卸部分。
图2是所述一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池的俯视图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池的技术方案及其制备方法。所述核电池的技术方案和制备方法简单，有利于实现具有能量转化效率高、输出性能稳定、工作时间长、抗辐照性能强的薄膜型β辐射伏特效应核电池，这种类型的核电池具有重要的应用价值。
β放射源释放的载能β粒子与放射源自身发生相互作用时产生自吸收现象：低能β粒子的能量很容易沉积在放射源内部，只有能量较高的载能β粒子才有机会从放射源表面出射。由于β放射源自吸收效应，随着放射源厚度的增加，其表面出射功率先是不断增加而后趋于饱和值。本发明中所述圆柱形固态薄片状纯β放射源(1)的厚度不大于其表面出射功率达到饱和值时对应的厚度。具体地，所述氚源(Ti3TX)的厚度不大于2μm且优选于2μm，镍-63源(63Ni)的厚度不大于3μm且优选于3μm。进一步地，将纯β放射源(1)耦合加载在碳化硅PN结器件的上表面。
所述一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池，其工作原理是将β放射源释放的载能粒子在半导体器件中的作用范围与其内部的耗尽层区相匹配，利用半导体PN结器件的内建电场分离辐生电子-空穴对，提高电荷收集效率、放射源衰变能的利用率及核电池的能量转化效率。研究结果表明：氚源(Ti3TX)和镍-63源(63Ni)在碳化硅器件中的电离作用范围分别为2.5μm和23μm。进一步地，氚源(Ti3TX)和镍-63源(63Ni)在碳化硅器件内部沉积能量为总沉积能量的99％以上时对应的载能β粒子入射深度分别为1.1μm和8μm。因此，所述氚源(Ti3TX)对应的核电池中碳化硅PN结器件的耗尽层宽度在1.1～2.5μm且优选于1.1μm；镍-63源(63Ni)对应的核电池中碳化硅PN结器件的耗尽层宽度在8～23μm且优选于8μm。更进一步地，所述碳化硅PN结器件为圆柱形，半径大于纯β放射源(1)的半径，其内部依次层叠设置为正面环形欧姆接触电极层(2)、二氧化硅钝化层(3)、P型低掺杂碳化硅层(4)、N型高掺杂碳化硅层(5)、单晶碳化硅衬底层(6)和背欧姆接触电极层(7)，其主要制备步骤如下：
步骤1：单晶碳化硅衬底层(6)选为2～4英寸抛光的单晶碳化硅圆片，其厚度小于200μm。
步骤2：采用微波等离子体化学气相沉积技术和离子注入技术在预先形核的单晶碳化硅衬底层(6)的上表面外延生长制备N型高掺杂碳化硅层(5)，再在N型高掺杂碳化硅层(5)的上表面外延生长制备P型低掺杂碳化硅层(4)。
氚源(Ti3TX)对应的核电池中，碳化硅PN结器件的PN结单元厚度在1.1～2.5μm。其中，P型低掺杂碳化硅层(4)的掺杂原子浓度NA在5×1014/cm3～2.5×1015/cm3且厚度在0.9～2.5μm，N型高掺杂碳化硅层(5)的掺杂原子浓度ND在6.2×1015/cm3～1×1018/cm3且厚度不大于0.37μm。进一步地，碳化硅PN结单元的厚度优选于1.1μm，P型低掺杂碳化硅层(4)的掺杂原子浓度NA＝2.5×1015/cm3且厚度在1.06～1.1μm，N型高掺杂碳化硅层(5)的掺杂原子浓度ND在3.2×1016/cm3～1×1018/cm3且厚度不大于0.08μm。
镍-63源(63Ni)对应的核电池中，碳化硅PN结器件的PN结单元厚度在8～23μm。其中，P型低掺杂碳化硅层(4)的掺杂原子浓度NA在5.5×1012/cm3～5.2×1013/cm3且厚度在5.7～23μm，N型高掺杂碳化硅层(5)的掺杂原子浓度ND在8×1013/cm3～1×1018/cm3且厚度不大于3.7μm。进一步地，碳化硅PN结单元的厚度优选于8μm，P型低掺杂碳化硅层(4)的掺杂原子浓度NA＝4.7×1013/cm3且厚度在7.3～8μm，N型高掺杂碳化硅层(5)的掺杂原子浓度ND在5×1014/cm3～1×1018/cm3且厚度不大于0.7μm。
步骤3：采用微波等离子体化学气相沉积技术在P型低掺杂碳化硅层(4)上表面外延生长二氧化硅层构成碳化硅PN结器件表面的钝化层。二氧化硅钝化层(3)有利于降低半导体器件表面活性，降低少数载流子在器件表面的复合速率进而提高所述核电池的开路电压及能量转化效率。进一步地，二氧化硅钝化层(3)的厚度小于10nm且优选于2nm。
步骤4：由于载能β粒子在二氧化硅材料表面的能量反散射系数比在常见的金属电极材料(如Ti、Ni、Au)的表面要小得多，因此，正面欧姆接触电极采用环形结构，背欧姆接触电极层采用圆柱形场板结构。首先，在二氧化硅钝化层(3)上表面和单晶碳化硅衬底层(6)下表面分别进行光刻、显影后形成相应的欧姆接触电极图形化结构。进一步地，采用电子束蒸发镀膜技术在光刻形成的正面环形欧姆接触电极(2)图形上蒸镀Au金属，然后再在Au金属膜上依次蒸镀Ni金属层和Ti金属层构成Ti/Ni/Au复合金属层，其厚度小于50nm且优选于30nm。更进一步地，采用电子束蒸发镀膜技术在光刻形成的背欧姆接触电极(6)图形上蒸镀Au金属，然后再在Au金属膜上依次蒸镀Ni金属层和Ti金属层构成Ti/Ni/Au复合金属层，其厚度小于50nm且优选于30nm。
步骤5：所述正面环形欧姆接触电极(2)和背欧姆接触电极(6)上分别设置第一引线和第二引线。进一步地，在常温和氮气气氛保护下完成所述碳化硅PN结器件退火处理。
实际制备过程中可以在纯β放射源的上、下表面分别粘接一个由上述步骤制备而成的碳化硅PN结器件，封装制成基于相同原理和制备技术的另一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池。
所述一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池中核电池外壳用于保护电池内部结构并屏蔽未能利用的载能β粒子和次生γ射线。进一步地，核电池外壳(8)及其可拆卸部分(9)是由密度小的高分子聚乙烯塑料构成，厚度大于25μm。
本发明所述的具体实施例详细说明了一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池设计的理论基础和具体的技术方案。本发明的具体实施例并不用于限制本发明所述核电池的设计和制备。进一步地，凡是在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等均包括在本发明的权利保护范围之内。更进一步地，本发明说明书中为了阐述简单和清晰，附图只是对一般性结构进行说明，省略了部分众所周知的结构以避免不必要的模糊表达，附图的横截面并非严格按照实际比例绘制。
Claims (10)
1.一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池，其特征在于包括：纯β放射源(1)，碳化硅PN结器件内部依次层叠设置为正面环形欧姆接触电极层(2)、二氧化硅钝化层(3)、P型低掺杂碳化硅层(4)、N型高掺杂碳化硅层(5)、单晶碳化硅衬底层(6)、背欧姆接触电极层(7)，核电池外壳(8)和核电池外壳可拆卸部分(9)。
2.根据权利要求1所述一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池中纯β放射源(1)为薄片状圆柱形固态放射源，选用的氚源(Ti3TX)的厚度不大于2μm且优选于2μm，镍-63源(63Ni)的厚度不大于3μm且优选于3μm，将纯β放射源(1)耦合加载在碳化硅PN结器件的上表面。
3.根据权利要求1所述一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池中碳化硅PN结器件为圆柱形，其半径大于纯β放射源(1)的半径,碳化硅PN结器件的正面环形欧姆接触电极层(2)为Ti/Ni/Au复合金属层，厚度小于50nm且优选于30nm，Au金属层蒸镀在二氧化硅钝化层(3)的上表面，然后再在Au金属层上依次蒸镀Ni金属层和Ti金属层构成Ti/Ni/Au复合金属层。
4.根据权利要求1所述一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池中碳化硅PN结器件的二氧化硅钝化层(3)的厚度小于10nm且优选于2nm。
5.根据权利要求1所述一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池中氚源(Ti3TX)对应的核电池中碳化硅PN结单元的厚度在1.1～2.5μm，P型低掺杂碳化硅层(4)的掺杂原子浓度NA在5×1014/cm3～2.5×1015/cm3且厚度在0.9～2.5μm，N型高掺杂碳化硅层(5)的掺杂原子浓度ND在6.2×1015/cm3～1×1018/cm3且厚度不大于0.37μm。
6.根据权利要求1所述一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池中氚源(Ti3TX)对应的核电池中碳化硅PN结单元的厚度优选于1.1μm，P型低掺杂碳化硅层(4)的掺杂原子浓度NA＝2.5×1015/cm3且厚度在1.06～1.1μm，N型高掺杂碳化硅层(5)的掺杂原子浓度ND在3.2×1016/cm3～1×1018/cm3且厚度不大于0.08μm。
7.根据权利要求1所述一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池中镍-63源(63Ni)对应的核电池中碳化硅PN结单元的厚度在8～23μm，P型低掺杂碳化硅层(4)的掺杂原子浓度NA在5.5×1012/cm3～5.2×1013/cm3且厚度在5.7～23μm，N型高掺杂碳化硅层(5)的掺杂原子浓度ND在8×1013/cm3～1×1018/cm3且厚度不大于3.7μm。
8.根据权利要求1所述一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池中镍-63源(63Ni)对应的核电池中碳化硅PN结单元的厚度优选于8μm，P型低掺杂碳化硅层(4)的掺杂原子浓度NA＝4.7×1013/cm3且厚度在7.3～8μm，N型高掺杂碳化硅层(5)的掺杂原子浓度ND在5×1014/cm3～1×1018/cm3且厚度不大于0.7μm。
9.根据权利要求1所述一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池中碳化硅PN结器件的单晶碳化硅衬底层(6)为2～4英寸抛光的单晶碳化硅圆片，其厚度小于200μm，碳化硅PN结器件的背欧姆接触电极层(7)为圆柱形场板结构，它为Ti/Ni/Au复合金属层，厚度小于50nm且优选于30nm，Au金属层蒸镀在单晶碳化硅衬底层(6)的下表面，然后再在Au金属层上依次蒸镀Ni金属层和Ti金属层构成Ti/Ni/Au复合金属层。
10.根据权利要求1所述一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池中核电池外壳(8)及其可拆卸部分(9)是由密度小的高分子聚乙烯塑料构成，厚度大于25μm。
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